Ein Teilchenbeschleuniger im Westentaschenformat: Das ist der Traum vieler Wissenschaftler, die bislang aufwändige Anträge schreiben müssen, um an die begehrte Messzeit an großen Beschleunigern zu kommen. Gewünscht wären kleine, billige Maschinen, die vielleicht nicht ganz die hohen Energien und die saubere Strahlqualität wie etwa der Large Hadron Collider (LHC) liefern, aber dafür auf den Labortisch passen und ebenfalls brauchbare Resultate liefern. Leider ist das mit der gängigen Technologie nicht möglich, sie ist weitestgehend ausgereizt. Die Spannungen, mit denen moderne Geräte betrieben werden, lassen sich ohne die Gefahr elektrischer Durchschläge nicht weiter erhöhen. Deshalb sind Teilchenbeschleuniger auch so groß und teuer.

Dank der Kielfeld-Technologie könnte der Traum vom Miniaturbeschleuniger dennoch Wirklichkeit werden. Bei diesem neuartigen Beschleunigertyp wird zunächst ein hochintensiver Laser- oder Teilchenstrahl in ein stark ionisiertes Gas geschossen. Dieser Strahl verdrängt die leichten Elektronen an einer Stelle in diesem Plasma. Dadurch bildet sich eine winzige Blase, die sich entlang des Strahls praktisch mit Lichtgeschwindigkeit vorwärtsbewegt. Da die Blase selbst positiv geladen ist und von hinten negativ geladene Elektronen nachströmen, können hier bei passend gewählten Versuchsbedingungen im hinteren Teil der Plasmablase extrem hohe Feldstärken entstehen – rund 1000-fach höher als in den Vakuumkammern herkömmlicher Beschleuniger. Speist man ein Elektronenpaket geschickt in den hinteren Teil der Blase ein, wo die Feldstärken am größten sind, so "surfen" die Elektronen quasi im Kielfeld der Plasmawelle – daher der Name "Kielfeld-Beschleuniger" oder englisch "wakefield accelerator". Statt Kilometer wäre ein solcher Beschleuniger nur noch einige Meter lang.

Soweit die Theorie, die Toshiki Tajima und John Dawson bereits 1979 aufgestellt haben. In der Praxis hat sich das Konzept zwar als interessant, aber auch als schwierig umzusetzen herausgestellt. Eine große technologische Hürde besteht etwa darin, die nötigen Laserpulse bereitzustellen, die einerseits extrem stark, andererseits aber auch extrem kurz sein müssen und die sich noch dazu schnell wiederholen. Die Wiederholrate ist deshalb wichtig, weil zu den interessantesten Anwendungen für die entstehenden hochenergetischen Elektronenstrahlen Röntgenlaser gehören. Dazu lenkt man die Elektronen durch Undulatoren mit wechselndem Magnetfeld. Nach den Gesetzen der Elektrodynamik erfahren die Elektronen eine wechselnde Beschleunigung und senden Strahlung aus: bei hinreichend hoher Energie sogar Röntgenstrahlung, mit der sich biochemische Reaktionen aufklären lassen. Auch für die Medizin sind solche Röntgenstrahlen interessant. Noch liefern ausreichend starke Laser jedoch nur wenige Pulse pro Sekunde, was die Einsatzmöglichkeiten sehr beschränkt.

Mehrfach-Laserpulse mit präzisem Timing

Eine Arbeitsgruppe um Simon Hooker, Professor für Atom- und Laserphysik an der University of Oxford, hat nun eine neue Methode entwickelt, um dieses Problem zu umgehen, wie sie in den "Physical Review Letters" schreibt. Die Forscher haben mit Hilfe spezieller Filtertechniken den schnell getakteten Puls eines Titan-Saphir-Lasers in mehrere Teilpulse unterteilt und diese in zeitlich exakt abgestimmter Reihenfolge in das Plasma geschickt, so dass die kurz nacheinander angeregten Plasmaschwingungen sich gegenseitig verstärkten.

Noch sind diese Versuche im Stadium von Machbarkeitsstudien. Mit Hilfe der neuesten Lasertechnologien könnten sie aber schon in nicht allzu ferner Zukunft zu konkurrenzfähigen Beschleunigern werden. In den letzten Jahren hat sich gerade in diesem Bereich einiges getan: Scheiben- und Faserlaser setzen mittlerweile einen großen Teil der elektrisch zugeführten Energie in den Laserstrahl um und erreichen hohe Intensitäten, während sie gleichzeitig extrem kurze Pulse liefern. Mit solchen Geräten sollten etwa bei den Mehrfach-Laserpulsen von Hookers Arbeitsgruppe Wiederholungsraten von mehreren tausend "Schuss" pro Minute möglich sein. Das wären bereits Raten, die für viele Anwendungen interessant sind – vorausgesetzt, die Strahlqualität ist ausreichend gut. "Bis dahin werden jedoch wahrscheinlich noch fünf bis zehn Jahre vergehen", sagt Hooker. Zudem werde dies auch von Fortschritten in der Lasertechnik und Plasmaphysik abhängen.

Plasma formt die Protonenpakete

Einen anderen Technologiepfad verfolgt die AWAKE-Kollaboration am europäischen Teilchenforschungszentrum CERN. Da Laserstrahlen ihre Energie schon nach wenigen Zentimetern im Plasma weitestgehend abgegeben haben, eignen sie sich nicht für besonders hohe Beschleunigungsenergien. Die schweren Protonen, die in den verschieden starken Beschleunigerringen am CERN kreisen, können allerdings sehr viel weitere Strecken im Plasma zurücklegen – im Prinzip über Hunderte von Metern. Sie eignen sich deshalb für besonders hohe Energien. Damit ließe sich an teuren Großgeräten wie dem Large Hadron Collider im Prinzip eine Art "Transformator" installieren, der die unglaublich hohen Protonenenergien dieses Beschleunigers in hochenergetische Elektronen umwandelt, wofür man sonst einen weiteren sehr teuren und großen Beschleuniger bräuchte.

Aber auch das ist einfacher gesagt als getan: Die Protonenpakete, die durch den LHC kreisen, sind für das Plasmasurfen schlicht zu lang und führen eigentlich nicht zu einer brauchbaren Plasmawelle. Besitzt das Plasma jedoch die richtigen Eigenschaften, dann können sich der Theorie zufolge die langen Protonenpakete beim Flug durch das Plasma in mehrere kürzere Pakete zerteilen, die dann wiederum zur Bildung von Wellen führen.

Kürzlich haben die Forscher bei AWAKE eine mehrwöchige Messphase abgeschlossen und diesen Effekt eindrucksvoll nachweisen können. "Wir konnten die Protonenpakete direkt ablichten und sehen gut geformte Mikropakete", erklärt Patric Muggli vom Max-Planck-Institut für Physik, der an AWAKE beteiligt ist. Damit sind nun die Bedingungen gegeben, um in den kommenden Monaten auch die Beschleunigung von Elektronen anzugehen.

Bislang kollidieren am LHC Protonen mit Protonen. Wenn es gelingt, die Energie in einem der beiden Protonenstrahlen auf Elektronen zu übertragen, wären auch Proton-Elektron-Kollisionen möglich. Dies würde ein ganz neues Experimentierfeld eröffnen – zu sehr geringen Kosten. Die unterschiedlichen Kielfeld-Technologien mit Lasern und Protonen machen sich bei all den Fortschritten auf beiden Gebieten dabei nicht wirklich Konkurrenz: Zu unterschiedlich sind ihre Anwendungsgebiete. Schon in wenigen Jahren könnten sie aber den Schritt vom "interessanten technologischen Spielzeug" hin zum Stadium "Laborinvestition" machen.